D類功放的原理

　　在音響領(lǐng)域里人們一直堅(jiān)守著A類功放的陣地。認(rèn)為A類功放聲音最為清新透明，具有很高的保真度。但是，A類功放的低效率和高損耗卻是它無法克服的先天頑疾。B類功放雖然效率提高很多，但實(shí)際效率僅為50%左右，在小型便攜式音響設(shè)備如汽車功放、筆記本電腦音頻系統(tǒng)和專業(yè)超大功率功放場合，仍感效率偏低不能令人滿意。所以，效率極高的D類功放，因其符合綠色革命的潮流正受著各方面的重視。

　　由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，原來用分立元件制作的很復(fù)雜的調(diào)制電路，現(xiàn)在無論在技術(shù)上還是在價格上均已不成問題。而且近年來數(shù)字音響技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)D類功放與數(shù)字音響有很多相通之處，進(jìn)一步顯示出D類功放的發(fā)展優(yōu)勢。

　　D類功放是放大元件處于開關(guān)工作狀態(tài)的一種放大模式。無信號輸入時放大器處于截止?fàn)顟B(tài)，不耗電。工作時，靠輸入信號讓晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，晶體管相當(dāng)于一個接通的開關(guān)，把電源與負(fù)載直接接通。理想晶體管因?yàn)闆]有飽和壓降而不耗電，實(shí)際上晶體管總會有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種耗電只與管子的特性有關(guān)，而與信號輸出的大小無關(guān)，所以特別有利于超大功率的場合。在理想情況下，D類功放的效率為100%，B類功放的效率為78.5%，A類功放的效率才50%或25%（按負(fù)載方式而定）。

　　D類功放實(shí)際上只具有開關(guān)功能，早期僅用于繼電器和電機(jī)等執(zhí)行元件的開關(guān)控制電路中。然而，開關(guān)功能（也就是產(chǎn)生數(shù)字信號的功能）隨著數(shù)字音頻技術(shù)研究的不斷深入，用與Hi-Fi音頻放大的道路卻日益暢通。20世紀(jì)60年代，設(shè)計(jì)人員開始研究D類功放用于音頻的放大技術(shù)，70年代Bose公司就開始生產(chǎn)D類汽車功放。一方面汽車用蓄電池供電需要更高的效率，另一方面空間小無法放入有大散熱板結(jié)構(gòu)的功放，兩者都希望有D類這樣高效的放大器來放大音頻信號。其中關(guān)鍵的一步就是對音頻信號的調(diào)制。

　　圖1是D類功放的基本結(jié)構(gòu)，可分為三個部分：

圖１　D類功放基本結(jié)構(gòu)

　　第一部分為調(diào)制器，最簡單的只需用一只運(yùn)放構(gòu)成比較器即可完成。把原始音頻信號加上一定直流偏置后放在運(yùn)放的正輸入端，另通過自激振蕩生成一個三角形波加到運(yùn)放的負(fù)輸入端。當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端三角波電位時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。若音頻輸入信號為零、直流偏置三角波峰值的1/2，則比較器輸出的高低電平持續(xù)的時間一樣，輸出就是一個占空比為1：1的方波。當(dāng)有音頻信號輸入時，正半周期間，比較器輸出高電平的時間比低電平長，方波的占空比大于1：1；負(fù)半周期間，由于還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大于零，但音頻信號幅度高于三角波幅度的時間卻大為減少，方波占空比小于1：1。這樣，比較器輸出的波形就是一個脈沖寬度被音頻信號幅度調(diào)制后的波形，稱為PWM（Pulse Width Modulation脈寬調(diào)制）或PDM（Pulse Duration Modulation脈沖持續(xù)時間調(diào)制）波形。音頻信息被調(diào)制到脈沖波形中。{{分頁}}

　　第二部分就是D類功放，這是一個脈沖控制的大電流開關(guān)放大器，把比較器輸出的PWM信號變成高電壓、大電流的大功率PWM信號。能夠輸出的最大功率有負(fù)載、電源電壓和晶體管允許流過的電流來決定。

　　第三部分需把大功率PWM波形中的聲音信息還原出來。方法很簡單，只需要用一個低通濾波器。但由于此時電流很大，RC結(jié)構(gòu)的低通濾波器電阻會耗能，不能采用，必須使用LC低通濾波器。當(dāng)占空比大于1：1的脈沖到來時，C的充電時間大于放電時間，輸出電平上升；窄脈沖到來時，放電時間長，輸出電平下降，正好與原音頻信號的幅度變化相一致，所以原音頻信號被恢復(fù)出來，見圖2。

圖２　模擬D類功放工作原理

　　D類功放設(shè)計(jì)考慮的角度與AB類功放完全不同。此時功放管的線性已沒有太大意義，更重要的開關(guān)響應(yīng)和飽和壓降。由于功放管處理的脈沖頻率是音頻信號的幾十倍，且要求保持良好的脈沖前后沿，所以管子的開關(guān)響應(yīng)要好。另外，整機(jī)的效率全在于管子飽和壓降引起的管耗。所以，飽和管壓降小不但效率高，功放管的散熱結(jié)構(gòu)也能得到簡化。若干年前，這種高頻大功率管的價格昂貴，在一定程度上限制了D類功放的發(fā)展。現(xiàn)在小電流控制大電流的MOSFET已普遍運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域，特別是近年來UHC MOSFET已在Hi-Fi功放上應(yīng)用，器件的障礙已經(jīng)消除。

　　調(diào)制電路也是D類功放的一個特殊環(huán)節(jié)。要把20KHz以下的音頻調(diào)制成PWM信號，三角波的頻率至少要達(dá)到200KHz。頻率過低達(dá)到同樣要求的THD標(biāo)準(zhǔn)，對無源LC低通濾波器的元件要求就高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。頻率高，輸出波形的鋸齒小，更加接近原波形，THD小，而且可以用低數(shù)值、小體積和精度要求相對差一些的電感和電容來制成濾波器，造價相應(yīng)降低。但此時晶體管的開關(guān)損耗會隨頻率上升而上升，無源器件中的高頻損耗、謝頻的取膚效應(yīng)都會使整機(jī)效率下降。更高的調(diào)制頻率還會出現(xiàn)射頻干擾，所以調(diào)制頻率也不能高于1MHz。

　　同時，三角波形的形狀、頻率的準(zhǔn)確性和時鐘信號的抖晃都會影響到以后復(fù)原的信號與原信號不同而產(chǎn)生失真。所以要實(shí)現(xiàn)高保真，出現(xiàn)了很多與數(shù)字音響保真相同的考慮。

　　還有一個與音質(zhì)有很大關(guān)系的因數(shù)就是位于驅(qū)動輸出與負(fù)載之間的無源濾波器。該低通濾波器工作在大電流下，負(fù)載就是音箱。嚴(yán)格地講，設(shè)計(jì)時應(yīng)把音箱阻抗的變化一起考慮進(jìn)去，但作為一個功放產(chǎn)品指定音箱是行不通的，所以D類功放與音箱的搭配中更有發(fā)燒友馳騁的天地。實(shí)際證明，當(dāng)失真要求在0.5%以下時，用二階Butterworth最平坦響應(yīng)低通濾波器就能達(dá)到要求。如要求更高則需用四階濾波器，這時成本和匹配等問題都必須加以考慮。

　　近年來，一般應(yīng)用的D類功放已有集成電路芯片，用戶只需按要求設(shè)計(jì)低通濾波器即可。